無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器對(duì)生活污水的處理

龍飛　劉康懷等

摘要：采用無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理模擬生活污水。結(jié)果表明，無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜快速形成，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行期間，系統(tǒng)對(duì)ＳＳ的去除效果良好，大部分情況下在出水中未檢測(cè)出ＳＳ；系統(tǒng)對(duì)ＴＯＣ、ＮＨ３－Ｎ、ＴＰ的平均去除率分別為９１．９％、９３．４％和６３．５％；無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜在污水處理中主要起到了泥水分離的作用，其對(duì)ＴＯＣ、ＴＰ具有一定的去除作用，但效果并不明顯，對(duì)ＮＨ３－Ｎ則基本無(wú)去除作用，混合液活性污泥中的微生物起到了主要的除污作用。

關(guān)鍵詞：無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜；生物反應(yīng)器；生活污水處理

中圖分類號(hào)：Ｘ５２ 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ 文章編號(hào)：0439－８114（２０12）24－5638-03

膜生物反應(yīng)器（ＭＢＲ）是一種將膜分離技術(shù)和傳統(tǒng)活性污泥法相結(jié)合的水處理工藝，在污水處理及其再生回用中得到廣泛應(yīng)用。具有處理效率高、出水水質(zhì)好、流程簡(jiǎn)單、設(shè)備緊湊、占地面積小、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單等突出特點(diǎn)［１］，但是傳統(tǒng)的膜生物反應(yīng)器存在兩大缺陷：膜材料昂貴和膜污染嚴(yán)重。動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（ＤＭＢＲ）是一種能有效解決兩大問題的新方法［２，３］。動(dòng)態(tài)膜（Ｄｙｎａｍｉｃｍｅｍｂｒａｎｅ，ＤＭ）是指通過預(yù)涂劑或活性污泥在膜表面形成的新膜，也稱為次生膜。采用價(jià)格低廉的大孔徑（相對(duì)于超濾、微濾）材料來(lái)制作膜組件，通過預(yù)涂劑或微生物及其代謝產(chǎn)物在膜材料表面形成動(dòng)態(tài)膜，這種ＭＢＲ工藝被稱為動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（ＤＭＢＲ）。該工藝的優(yōu)勢(shì)在于有良好的泥水分離特性；出水水質(zhì)好；膜組件的成本低，微網(wǎng)基材廉價(jià)易得，可大幅降低ＭＢＲ的造價(jià)；重力自流出水，能耗小；出水通量大；膜污染問題易解決［４］；相關(guān)研究受到關(guān)注［５］。以無(wú)紡布等微網(wǎng)為基材的動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（ＤＭＢＲ）是一種新型的污水處理工藝，國(guó)內(nèi)已有部分高校和科研機(jī)構(gòu)開展了動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理生活污水的試驗(yàn)研究［６，７］，但對(duì)其穩(wěn)定性和處理效果仍然缺乏深入研究。

采用較廉價(jià)的無(wú)紡布作為膜材料構(gòu)建動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（ＤＭＢＲ），用其處理生活污水，考查了其處理模擬生活污水的效果，以期為ＤＭＢＲ技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用提供參考。

１ 材料與方法

１．１ 試驗(yàn)裝置

無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（ＮＷ－ＤＭＢＲ）是由無(wú)紡布膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的新型水處理工藝（圖１）。反應(yīng)器材料為聚乙烯圓筒，容積約為５０Ｌ，內(nèi)部放置膜組件。動(dòng)態(tài)膜組件由不銹鋼架、無(wú)紡布制作而成，濾膜片由孔徑為５０μｍ的無(wú)紡布包裹形成，內(nèi)腔由鋼架支撐，不易變形。每片膜的有效過濾面積為０．１ｍ２，共設(shè)４個(gè)無(wú)紡布濾膜片，嵌套固定于不銹鋼架內(nèi)，置于反應(yīng)器中部，以防止膜組件受到曝氣沖刷發(fā)生位移。內(nèi)腔出水管連接在一根出水總管上，出水總管從反應(yīng)器內(nèi)通出。膜組件固定于反應(yīng)器中部，原水通過蠕動(dòng)泵軟管進(jìn)入反應(yīng)器底部，出水水量可自行調(diào)節(jié)，反應(yīng)器底部設(shè)有分布均勻的曝氣管，反應(yīng)器開始運(yùn)行采用１．５ｍ３／ｈ曝氣量，除了供氧之外還可通過氣泡的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)的混合狀態(tài)。

１．２ 試驗(yàn)水質(zhì)與運(yùn)行參數(shù)

試驗(yàn)采用葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、氯化鈣、碳酸氫鈉等配制人工模擬生活污水，按照ＣＯＤ∶Ｎ∶Ｐ∶Ｆｅ＝１００.0∶５.0∶１.0∶０．１的比例進(jìn)行配置。原水水質(zhì)見表１。試驗(yàn)從２０１０年７月開始，２０１１年１月結(jié)束，試驗(yàn)運(yùn)行了１６５ｄ，整個(gè)過程可以分為４個(gè)階段：膜組件制作階段，不同運(yùn)行參數(shù)的試驗(yàn)階段，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行階段，膜污染控制試驗(yàn)階段。系統(tǒng)剛啟動(dòng)的第一天分時(shí)段對(duì)進(jìn)、出水ＳＳ和濁度進(jìn)行測(cè)試，確定動(dòng)態(tài)膜形成所需的時(shí)間；待動(dòng)態(tài)膜形成后，進(jìn)入不同運(yùn)行參數(shù)的試驗(yàn)階段，分別選取在不同的容積負(fù)荷、污泥負(fù)荷、溶解氧、水力停留時(shí)間、ｐＨ等參數(shù)條件下運(yùn)行反應(yīng)器，每２ｄ測(cè)定進(jìn)、出水和上清液的ＣＯＤ，確定最佳運(yùn)行參數(shù)，參數(shù)性試驗(yàn)持續(xù)了８５ｄ；穩(wěn)定運(yùn)行階段，每天對(duì)進(jìn)、出水和上清液的ＴＯＣ、氨氮、ＴＰ進(jìn)行測(cè)定，每天測(cè)定反應(yīng)器混合液的溫度、ｐＨ與溶解氧，運(yùn)行時(shí)間為３０ｄ，重點(diǎn)考查ＮＷ－ＤＭＢＲ的長(zhǎng)期運(yùn)行效果。

此次試驗(yàn)的接種污泥采用桂林七里店污水廠回流活性污泥。反應(yīng)器配水方式采用連續(xù)進(jìn)水。有機(jī)負(fù)荷約為１．２ｋｇＣＯＤ／（ｍ３·ｄ），曝氣量為１．２ｍ３／ｈ，ＤＯ為２．０ｍｇ／Ｌ，ＭＬＳＳ為３２５０ｍｇ／Ｌ。反應(yīng)器的ＨＲＴ為５ｈ。水溫保持在１７～２０℃。試驗(yàn)過程中除每天取適量混合液測(cè)定ＭＬＳＳ外，未專門排泥。

１．３ 測(cè)試項(xiàng)目與方法

ＴＯＣ采用紫外法測(cè)定；ＮＨ３－Ｎ采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；ＴＰ采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定；ＳＳ采用重量法測(cè)定。

２ 結(jié)果與分析

２．１ ＮＷ－ＤＭＢＲ對(duì)ＳＳ的去除效果

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器運(yùn)行初期，由于無(wú)紡布表面動(dòng)態(tài)膜還未形成，混合液僅靠無(wú)紡布自身孔徑進(jìn)行過濾，此時(shí)膜的孔徑較大，固液分離的效果并不理想，出水ＳＳ濃度高達(dá)１０７ｍｇ／Ｌ，出水濁度為８９ＮＴＵ。但當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至４５ｍｉｎ時(shí)，出水ＳＳ急劇下降到１７ｍｇ／Ｌ，系統(tǒng)運(yùn)行２ｈ后，濁度降到１０ＮＴＵ，此后濁度仍緩慢下降。當(dāng)連續(xù)運(yùn)行１２ｈ后，此時(shí)取出無(wú)紡布組件，發(fā)現(xiàn)無(wú)紡布表面堆積的污泥較厚，但是泥層很容易脫落，經(jīng)過水沖洗后只有少量污泥還吸附在載體上。當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行２４ｈ后，濁度降為５ＮＴＵ，ＳＳ幾乎檢測(cè)不到。取出膜組件，觀察無(wú)紡布表面，可以明顯發(fā)現(xiàn)無(wú)紡布表面約有５ｍｍ厚的生物質(zhì)層。由此可推斷，動(dòng)態(tài)膜能夠在短時(shí)間內(nèi)形成，且無(wú)紡布能夠快速有效地截留混合液中的ＳＳ，并可使其沉積在無(wú)紡布表面。動(dòng)態(tài)膜的結(jié)構(gòu)從外向內(nèi)可分為濾餅層和凝膠層，濾餅層結(jié)構(gòu)較松散而凝膠層則結(jié)構(gòu)緊密［８，９］。凝膠層的存在使得動(dòng)態(tài)膜的實(shí)際孔徑遠(yuǎn)小于無(wú)紡布的孔徑，因此所形成的動(dòng)態(tài)膜不但可以去除粒徑較大的ＳＳ，而且還可以濾除部分小粒徑物質(zhì)。隨著動(dòng)態(tài)膜的形成，ＳＳ被截留。

２．２ ＮＷ－ＤＭＢＲ對(duì)ＴＯＣ的去除效果

２．３ ＮＷ－ＤＭＢＲ對(duì)ＮＨ３－Ｎ的去除效果

試驗(yàn)的ＮＷ－ＤＭＢＲ系統(tǒng)中，進(jìn)、出水及上清液中ＮＨ３－Ｎ濃度隨運(yùn)行時(shí)間的變化如圖３所示。由圖３可見，無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜形成后，污泥被截留，世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化菌在反應(yīng)器內(nèi)得以增殖，系統(tǒng)對(duì)ＮＨ３－Ｎ的去除率較高。穩(wěn)定運(yùn)行期間出水ＮＨ３－Ｎ＜１０ｍｇ／Ｌ，其中絕大多數(shù)情況下小于７ｍｇ／Ｌ。系統(tǒng)對(duì)ＮＨ３－Ｎ的平均去除率為９１．８％，其中無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜的平均貢獻(xiàn)率僅為１．０％，活性污泥的平均貢獻(xiàn)率為９０．８％，可見無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜對(duì)ＮＨ３－Ｎ的去除效果基本為零。無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜對(duì)ＮＨ３－Ｎ的平均去除貢獻(xiàn)率相對(duì)于ＴＯＣ要低得多，經(jīng)分析認(rèn)為這是由于混合液中含ＮＨ３－Ｎ的顆粒物數(shù)量遠(yuǎn)低于含ＴＯＣ的顆粒物數(shù)量［１０］。

另一方面，從圖３可以看出，ＮＷ－ＤＭＢＲ的上清液氨氮濃度與膜出水氨氮濃度差異并不明顯，這是因?yàn)榘钡趶U水中是以水和氨離子的形式存在，屬于無(wú)機(jī)小分子，其大小要比無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜孔徑小的多，也有資料顯示，動(dòng)態(tài)膜和固定膜都沒有分離無(wú)機(jī)小分子能力［１１］，因此，動(dòng)態(tài)膜的攔截作用本身對(duì)氨氮的去除效果沒有多大影響［１２］，而系統(tǒng)出水中氨氮要比上清液中氨氮略低的原因主要是無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜的凝膠層和濾餅層對(duì)氨氮有一定程度的吸附作用。

２．４ ＮＷ－ＤＭＢＲ對(duì)ＴＰ的去除效果

３ 結(jié)論

１）無(wú)紡布動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器對(duì)ＳＳ具有很好的去除效果，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，出水ＳＳ濃度不斷下降，運(yùn)行至２ｈ后，ＳＳ的濃度已可忽略不計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行２４ｈ后，ＳＳ的濃度幾乎檢測(cè)不出。

２）反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行期間，系統(tǒng)對(duì)ＴＯＣ及ＮＨ３－Ｎ的去除效果較好，對(duì)ＴＰ的去除效果一般，其中系統(tǒng)對(duì)ＴＯＣ平均去除率達(dá)９１．９％，對(duì)ＮＨ３－Ｎ的平均去除率為９1．8％，對(duì)ＴＰ的平均去除率僅為６３．５％。

３）以無(wú)紡布為基材的動(dòng)態(tài)膜對(duì)ＴＯＣ、ＴＰ具有一定的去除作用，但效果并不明顯，平均去除率分別為３．２％和５．３％，對(duì)ＮＨ３－Ｎ則基本無(wú)去除作用，去除率僅為１．０％。系統(tǒng)活性污泥中的微生物對(duì)ＴＯＣ、ＮＨ３－Ｎ的去除起到了主要作用。動(dòng)態(tài)膜在污水處理中主要起到了泥水分離的作用。

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